6. Упрочнение с помощью дислокаций

Согласно исследованиям Одинга и Бочвара повышение плотности дислокаций в массивных кристаллах свыше критического значения 10⁴-10⁵ см^-2 приводит к упрочнению (рис. 3.2). Одним из наиболее эффективных способов повышения плотности дислокаций является пластическая деформация. Таким образом, в результате пластической деформации можно получить упрочнение, которое носит название деформационного упрочнения. Особенностью этого упрочнения является то, что оно сохраняется и после прекращения деформации. Это явление называется наклепом или нагартовкой. Причиной наклепа могут служить любые процессы, увеличивающие плотность дислокаций и ограничивающие их подвижность. Таких причин много из-за многообразия факторов препятствующих движению дислокаций. Единой теории движения дислокаций не существует.

Исходными данными для анализа деформационного упрочнения являются деформационные кривые, построенные в координатах истинное касательное напряжение – истинная деформация. Пример деформационной кривой приведен на рисунке 6.1. Рассмотрим кривую по участкам: 0а – участок упругой деформации не реализуется так как сливается с осью напряжения; ав – для ГЦК кристаллов характеризуется невысоким значением упрочнения, а плотность дислокаций возрастает примерно на порядок. Наклеп на этом участке небольшой. Идет одиночное скольжение в параллельных системах, что не вызывает затруднений для движения дислокаций; вс – на этом участке коэффициент упрочнения достигает 10^-3G, так как развивается и активно происходит множественное скольжение, плотность дислокаций увеличивается на два-три порядка. К концу этой стадии (точка с) напряжения возрастают на столько, что становятся достаточными для активизации процесса двойного поперечного скольжения (участок сd). При этом коэффициент упрочнения уменьшается, а плотность дислокаций незначительно повышается.

Рис. 6.1. Общий случай деформационной кривой

Характер деформационных кривых кристаллов с различным типом кристаллических решеток неодинаков. Характерные деформационные кривые приведены на рис. 6.2.

На вид деформационной кривой влияет ориентация кристалла относительно приложенной силы, что особенно важно для ГЦК кристаллов. Если ось кристалла близка к направлению , то скольжение начинается сразу в нескольких системах и первый участок деформационной кривой практически отсутствует, а коэффициент упрочнения на втором участке высокий.

Для ОЦК кристаллов, у которых системы скольжения мало отличаются по уровню скалывающих напряжений, первый участок короткий, а его длина зависит от количества примесей.

В ГПУ кристаллах важно соотношение . Если оно далеко от идеального, то ряд систем скольжения становятся равнозначными.

Параболическая форма деформационной кривой связана с механизмом эстафетной передачи деформации (рис. 5.5).

Рис. 6.2. Деформационные кривые: а) ГЦК монокристаллы; б) ГЦК поликристаллы; в) ОЦК монокристаллы; ОЦК поликристаллы

Из-за большого числа факторов, влияющих на деформацию, существует много вариантов объяснения ее затруднения. Это повышение плотности дислокаций при работе источников Франка-Рида, как в традиционном варианте, так и при двойном поперечном скольжении винтовой дислокации (рис. 6.3). Если в параллельной системе работают источники Франка-Рида, то они генерируют дислокации, которые обладая полями дальнодействующих напряжений вызывают торможение дислокаций, как движущихся в той же системе скольжения, так и в параллельных системах скольжения. При таком движении возможно появление большого числа точечных дефектов (вакансий или атомов внедрения) при аннигиляции дислокаций. Преодоление полей дальнодействующих напряжений не зависит от температуры, так как преодоление этих препятствий не требует тепловых флуктуаций. Торможение дислокаций наблюдается при пересечении дислокаций с дислокациями леса. Наиболее удобным является вариант рассмотрения пересечения дислокаций в ортогональных плоскостях скольжения.

Рис. 6.3. Размножение дислокаций при двойном поперечном скольжении

При пересечении дислокаций с перпендикулярными векторами Бюргерса (рис. 6.4 а, б) вторая дислокация образует порог рр´ размером b₁, но с вектором Бюргерса b₂. Если же пересекаются дислокации с параллельными векторами Бюргерса, то появляются пороги и на той и на другой дислокациях (рис. 6.4 в, г). На первой дислокации порог QQ´ длиной b₂, на второй порог рр´ длиной b₁, но здесь пороги винтовые. Таким образом, и в первом и во втором случае пороги не затрудняют скольжение дислокаций, так как их вектор Бюргерса совпадает с направлением скольжения, но на образование порога требуется дополнительная энергия. Во втором случае энергетические затраты в два раза больше чем в первом, соответственно упрочнение более эффективно.

Рис. 6.4. Пересечение дислокаций с перпендикулярными (а, б) и параллельными (в, г) векторами Бюргерса

Аналогичная ситуация возникает и при пересечении краевых дислокаций с винтовыми и винтовых дислокаций с краевыми.

При скольжении винтовой дислокации порог рр´ может скользить только в положение RR´, как показано на рис. 6.5. Если дислокация движется в сторону Q, то порог будет отставать, так как переползание диффузионный процесс, следовательно, он будет тормозить движение дислокации.

Порог в одно межатомное расстояние – элементарный порог, при движении может генерировать вакансии и межузельные атомы, как показано на рис. 6.6 а. Такой порог называется вакансионным или межузельным.

Если порог велик, более 200 Ǻ, то участки дислокаций ведут себя независимо, как показано на рис. 6.6 б.

Рис. 6.5. Скольжение винтовой дислокации с порогом

Рис. 6.6. Скольжение дислокации с порогом различной величины

Порог средних размеров (рис. 6.6 в) при движении образует диполь, который может оторваться, оставив цепочку небольших дислокационных петель либо одну большую петлю, которые будут служить препятствиями для движущихся дислокаций (рис. 6.6 г, д, е).

Если пересекаются расщепленные дислокации, то это вносит свои особенности, так как при пересечении они должны образовать перетяжку, а после прохождения эта перетяжка должна вновь расщепиться (рис. 6.7). На это требуется дополнительная энергия.

Рис. 6.7. Пересечение расщепленных дислокаций